海洋论坛▏海底浅层气的成因、特征及危害
一、引言
人们很久以前就发现在某些近岸海域的海水中常有气泡冒出海面，并慢慢地将它与存在于海底沉积物中的浅层天然气联系起来，逐渐认识到气泡是沉积物中浅层天然气喷逸海底，上升到海水层中并直至逸出海面所致。但是对海底浅层天然气（简称“浅层气”）的专门研究始于20世纪50年代，鉴于海底浅层气的重要性，20世纪70年代以来对其成因、类型、赋有形式、分布特征及对环境、工程建设的影响等进行了广泛而深入的研究。
海底浅层气在中国海域分布广泛。一些地方的海面气苗，据可靠资料记载已有百年以上的历史，浅层气造成的工程危害也屡有报道。1980年代开始，海底浅层气研究在国内逐渐受到重视，研究重点主要集中于海底浅层气基本特征、浅层气的识别、浅层气的分布、浅层气与海底油气藏分布之间关系及浅层气对海洋开发特别是海洋工程建设的可能影响等方面。
海底天然气和水在低温、高压条件下可形成的一种类似状的可燃固态物质，称为天然气水合物，在大陆边缘陆坡区等地区有较广泛发育。一方面，天然气水合物完全燃烧时只生成几乎无任何污染的二氧化碳和水，因此它是一种新型的绿色能源，这给能源日益短缺的人类带来希望。另一方面，如此巨大的含碳量引起了人们对水合物在全球碳循环和温室效应中所起作用的关注，海底天然气水合物的分解释放出的大量甲烷会对环境造成严重影响；同时天然气水合物的分解也引起海底滑坡等地质灾害。
近10多年来，我国也积极开展了对海底天然气水合物资源探查技术与资源评价等方面的研究，并对我国南海、东海海域海底天然气水合物资源进行了调查。目前主要是根据地球物理（主要是声波探测和地震勘探）和地质（取样分析）调查资料综合分析了解海底浅层天然气的分布，本文将给出结合图例进行分析的方法。
二、海底浅层气的性质与成因
在国际上，海底浅层气通常是指在海底面以下1000m之内的沉积物中所聚集的气体。浅层气的组分主要包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、乙烷等，其中一般以甲烷含量最高，分布最广。根据气源物质不同，与一般天然气类似，海底浅层气可分为有机成因和无机成因二大类。有机成因气是指沉积物（岩）中分散状或集中状的有机质通过细菌作用、化学作用和物理作用形成的气体；无机成因气泛指在任何环境下无机物质形成的天然气，一般来自热液、火山喷发、岩石变质等，也可是地幔中原捕获的气体沿深断裂等上移并聚集成浅层气。按有机质演化阶段，有机成因气又可进一步分为生物成因气和热成因气。
生物甲烷浅层气是大量陆缘碎屑物质带来的丰富的生物碎屑和有机质，在海底沉积时，经甲烷菌分解逐步转化成气体而形成的浅层气藏。热成甲烷是海底2000m以下的有机质在高温、高压作用下由干酪根裂解而形成的碳氢化合物，常呈超压状态( 高压气囊)，有时也沿岩层孔隙、裂隙、断层面上升、运移、聚集成浅层气，其性质取决于原始有机物质的特性与地质环境(温度与压力等)。
上述类型的浅层气在我国海域均已有发现，其中以生物气分布最广。不同类型的浅层气在海底的分布特征各有特点，所造成的地质灾害也有差异。在一些海区，出现多种来源的浅层气混合在一起的现象，形成混合成因气，其气体组成、同位素等的变化受混合比例大小的控制，变得很复杂。我国科技工作者经过20多年的研究和实践，形成了中国特色的天然气地质理论，建立了比较系统的天然气成因分类及判别标志。不同类型浅层气的化学组分、有机质成熟度及碳稳定同位素、氢稳定同位素等指标方面均存在明显差异。
三、海底浅层气的分布
海底浅层气主要分布于河口与陆架海区，我国各大河口与陆架海区均有广泛分布，尤以南海浅层气的分布更为典型，如北部湾盆地、莺歌海盆地、琼东南盆地、万安盆地、珠江口盆地、台西南盆地，以及油气富集的广大海区均分布有浅层气。初步统计，仅珠江口盆地就发现有12 处浅层气。北尖岛和高拦岛周围2个海区浅层气分布的面积均较大，这可能是由于珠江口外水下三角洲堆积海区内含有大量有机质，在甲烷菌作用下形成了大范围的生物甲烷浅层气，且埋藏较浅。
浅层气一旦生成，它在岩层中时刻都在运移与聚集，因为它不断受到上覆水层、土层、岩层压力的作用，这一作用过程对浅层气的运移极其重要。在渗透性低的沉积物中(如粘土、粉砂质粘土)，浅层气一般是沿垂直方向向上运移；在高渗透性的砂质沉积物或裂隙发育的岩层中，浅层气多是沿地层上倾方向运移。浅层气的运移取决于多种因素，其中分子结构等因素对运移程度起着重要作用。甲烷的分子结构小，最易运移，其次是轻烃类，如乙烷、丙烷、丁烷、已烷等。所以，甲烷是海底浅层气中最普遍存在的一种碳氢化合物。
浅层气在海底沉积层中形成后，由于浅层气各组分结构简单，具有分子小、密度小、浮力大、黏度低、吸附能力小、扩散作用强、易溶解、易挥发的特点，时刻都在运移与聚集，特别在浮力、地层静压力和动压力等作用下，易向上运移。在透渗性低的沉积物中（如黏土、粉砂质黏土），浅层气一般是沿垂直方向向上运移；在高渗透性的砂质沉积物中，浅层气多是沿地层上倾方向运移。浅层气也可沿断层、底辟等向上运移。
经过地质时期的运移与聚集，如果圈闭和盖层条件好，浅层气可稳定地埋藏于海底储气层中；如果圈闭和盖层条件不好，浅层气会向上逸散，直至最终喷逸出海底到海水中。通常浅层气以下列4种形态赋存于海底沉积地层中。
①层状浅层气：海底埋藏着的古湖泊、古河道、古三角洲地区, 沉积物中的有机质分解成的气体，与沉积物相伴生，呈大面积的层状分布(见图1、图2)。
②团(块)状浅层气：由于海区各地沉积物中富集的有机质的含量不同, 沉积物孔隙率的大小不同, 浅层气通常不是均匀分布的, 常常成团(块)地相对富集于某一区块(见图3) 或某几个区块(见图4) 。
图3 单道地震揭示的浅层气富集于1个区块的图像
图4 浅地层剖面揭示海底浅层气富集于几个小区块
③柱状或羽状分布的浅层气：海底较深部生成的天然气沿断层面、底辟及地层孔隙等通道向海底浅部运移，形成柱状、羽状或“烟囱状”的浅层气分布。如气源充足，海底没有很好的不透气盖层，浅层气可一直上升直至喷逸出海底。这类浅层气的分布常与底辟、泥火山和断层伴生（见图5）。
④高压气囊和气底辟：天然气在海底较深处向浅部运移，如圈闭和盖层封盖条件合格，天然气可在海底储层中不断聚集，随着时间的推移气压力起来越大，形成高压气囊（见图6）。高压气囊在长期强大的压力下，进一步向上部覆盖层的薄弱处冲挤，出现气底辟。图7展示了高压气囊先后发生的2次气底辟，浅层气上升了2个层位，条件适宜时，最终将会冲破全部覆盖层向海底直接喷逸。
图7 浅地层剖面揭示海底浅层气产生的气底辟
五、海底浅层气的识别标志
鉴于海底浅层气的重要性，国内外对其识别方法进行了多年探索，使用了地球物理探测、取样、地球化学分析、现场观察和其它一些方法，总结出了多方面的识别标志，其中以地球物理探测方法应用最广，特别是对于要求了解海底浅层气大面积分布及其赋存特征时。地球物理探测中主要采用地震波、声波探测的方法。本文总结出四种识别浅层气的重要标志：
①“麻坑”群：侧扫声纳图像上出现了“麻坑”，如大万山以南海域、北尖岛—北卫滩以西海域等。侧扫声纳图像上的“麻坑”形态很多，有圆形、椭圆形、碟形、盆形等，有成群分布(见图8)，也有单个存在，一般宽为30～40m，深为2～3m。“麻坑”的大小取决于海底沉积物的性质，粘性土等沉积物侧扫声纳图像上的“麻坑”大，而砂性土等沉积物侧扫声纳图像上的“麻坑”小，它是浅层气逸出时排开海底沉积物等“障碍”而形成的，在海底油气、天然气资源勘探中具有指相性。
图8 侧扫声纳揭示的浅层气形成的
海底“麻坑”群图像
②洼坑及气道：浅层剖面记录上海床面突然出现洼坑、气道(见图9) ，或原来连续的地层突然出现空白或模糊一片(见图10) 。当旁侧声纳与浅层剖面仪同步作业时，记录图像上可以同时观察到浅层气“麻坑”与对应的气体喷逸通道。
低洼的气道口图像
地层出现中断图像
③强反射与空白带：高分辨率浅层地震( 如声脉冲发射器、轰鸣器系统) 剖面记录上，浅层气呈现强反射，黑色浓度反映含气量与压力的大小。图像上的空白带代表含气沉积物。当反射层侧向过渡到含气带时，往往可以见到这些反射层向下偏移，这是由于含气量增加、声速减小所致。
④“亮点”：浅层气在多道数字地震剖面记录上最明显的标志是“亮点”(见图11) ，这是高振幅、负相位反射引起的不连续、颜色加深了的反射信号。经相对振幅处理后，这些反射信号会加强。
图11 多道地震剖面记录上浅层气显示的“亮点”
浅层气在海底不断聚集，强度增大，可形成底辟。条件合适时进一步向上运移，喷逸出海底，可在海底形成泥火山，在地震、声学探测剖面上易于识别。海底泥火山的突出地形和不同于周围沉积物的物质组成，使它也能在高分辨多波束测深数据（三维地形模型）中识别出来（图12），也能从海底回声强度图像中识别出来。
六、海底浅层气对工程的危害
在杭州湾跨海大桥工程、上海长江隧道工程、上海市合流污水治理工程、上海港外高桥新港区码头工程等场址区工程地质勘察中，都曾发生井喷现象。海底地层中的浅层气可由于自然或人为的原因从地层中释放，浅层气释放可以是缓慢向海底浅部运移直至逸出海底面，也可以是急剧的喷溢或钻进过程中的井喷。浅层气释放，特别是像井喷似的急剧释放，可对海底土体的工程性质带来不利影响。含浅层气的海底土层常常会给基础工程施工带来严重影响，甚至会影响到工程结构的安全。因此，海底浅层气对工程的影响及危害应引起足够重视。
⒈ 含浅层气的沉积物往往是不良地基
浅层气含量的增加将引起海底土层膨胀，原来土层的骨架受到破坏，土层在自重作用下的固结作用过程减慢，从而增大了土层的压缩性。Whelan等对海底淤泥中所含的甲烷浓度和沉积物的抗剪强度之间的关系进行的研究表明，由于自重作用下的固结作用，海底松散沉积物的抗剪强度随深度增大，而含气层中这种增长率明显减小，表明气体的存在使土的抗剪强度降低。一旦气体释放后，含气土层将产生相对较大的沉降量，导致基础的相应下沉或失稳。因此，含浅层气的沉积物的这种高压缩、低强度的特征，使其成为不良地基之一。
⒉ 海底浅层气对桩基造成多种危害
当积聚的高压浅层气释放时，含气层的压力将急剧下降，导致气-水界面向喷气口移动，快速的气流对土层产生强烈的冲刷作用，大范围地扰动含气地层，同时严重扰动上覆或下卧地层。由于浅层气的分布经常是不均匀的，气压大小不等( 即使是相同地层，浅层气气压也不同) 会造成地层承载力的差异，特别是在浅层气释放过程中，会加大地层工程性状的差别，引起地层的不均匀沉降，对桩基造成多种危害。桩基承载力的差异还会诱发桩的不均匀沉降。
⒊ 海底浅层气影响基础施工，甚至酿成事故
海底浅层气对于桩基施工，特别是钻孔桩施工危害极大。钻孔桩施工的成孔过程实际上是一个卸荷过程，当成孔至含气层时，由于卸荷作用，在上覆土层压力小于浅层气的气藏压力时，浅层气会从孔内逸出，当压力差足够大时，会出现强烈的井喷，周围的泥沙会涌入孔内，发生孔壁坍塌等事故，甚至造成施工平台下陷、倾覆及至发生火灾，严重威胁着施工人员的生命安全。